[发明专利]一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器

说明书

本发明涉及一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器，该光参量振荡器包括沿光路依次设置的半导体激光器A、准直聚焦系统A、谐振腔和滤波片；谐振腔包括激光输入镜、非线性光学晶体和激光输出镜；非线性光学晶体为周期极化的光学超晶格晶体，光学超晶格晶体的周期为20‑30μm，光学超晶格晶体的温度控制在50‑200℃。本发明可以实现1710nm和2300nm激光同时输出，可以大大提高透明或白色塑料材料的吸收效率；通过优化光参量振荡器谐振腔结构，实现高功率(50W)、高效率、高光束质量(M²1.5)的1710nm和2300nm激光同时输出，满足透明或白色塑料激光焊接的要求。

技术领域

本发明涉及一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器，属于固态激光技术领域。

背景技术

激光由于具有方向性好、亮度高、单色性好等优点，被广泛应用于工业加工领域。激光加工技术是激光技术在工业中的主要应用之一，它加速了对传统加工工业的改造，为现代加工技术提供了新的手段。激光加工是指利用激光束对工业用的零部件进行切割、划线、打标、焊接、和打孔等。与传统方法相比，激光加工具有加工质量好、加工速度快、精度高、加工件不受尺寸和形状限制、无污染、噪声小、无刀具磨损、效率高等优点。

进入21世纪以来，激光技术的飞速发展为塑料焊接提供了更多的技术方案，使塑料焊接的平均效率超过了传统焊接工艺的2-3倍。因此，激光塑料焊接技术成为近年来飞速发展的新型激光加工技术，并且在整个塑料焊接加工市场的份额占比不断攀升，特别是在一些需要高焊接效率和严格的外观要求的场合，特点鲜明，优势明显。塑料焊接时将两个部件夹紧在一起，上层塑料焊接件对激光具有较高透过率，下层焊接件对激光有较高的吸收率。激光束穿过上层塑料照射到下层焊接件表面，下层塑料吸收激光能量，转化为热能，继而在两塑料的接触面熔融形成焊接区，冷却后两者结合在一起，完成焊接过程。塑料的激光焊接已经在医用塑料器具、白色家电塑料零件和汽车塑料零件的焊接中被广泛采用。常用的焊接光源是半导体激光器(波长为808nm或者980nm)、Nd:YAG全固态激光器或者光纤激光器(波长为1.0微米附近)。但当两个零件都是透明材料时，传统方法难以利用这种工作原理进行激光焊接：由于透明材料通常对可见光的吸收率极低，造成了只有透过层而缺少了吸收层的情况。因此，需要在吸收层的表面制作吸收剂增加光吸收，这样也会造成塑料加工件的污染，限制了它在诸如医疗用的透明塑料焊接中的应用。

从常见塑料对红外波长激光吸收光谱(图1)可以看出，大部分塑料材料对波长1710nm和2300nm附近的光吸收率超过70％甚至80-90％，这对于各种厚度的塑料制品的激光拼焊和1.5mm以下透明塑料薄板的激光穿透焊是非常有利的，已经在医用塑料器具、白色家电塑料零件和汽车塑料零件的激光焊接中通过了很多实际验证，并开始应用于一系列激光塑料焊接设备中，进行一些塑料部件产品的正式生产，效果良好，受到塑料激光焊接业界的日渐认可。利用聚合物在1710nm和2300nm波段附件的本征吸收这一特性，能够在没有吸收层的情况下对透明材料进行焊接，不仅消除了对用于制造吸收层的添加剂的需求，而且加工质量也十分优异。

到目前为止，用于透明和白色塑料在很多焊接的激光器主要是1710nm半导体激光器和2000nm光纤激光器。而1710nm半导体激光器光束质量较差，输出功率也远低于808nm和976nm的半导体激光器；2000nm光纤激光器光束质量较好，但是成本较高，并且塑料在该波段的吸收也小于2300nm波段(如图1所述)。现有的光参量振荡器泵浦源均为波长在1微米波段的成熟的全固态激光器，非线性晶体均为体块单晶(磷酸二氢钾KTP、磷锗锌ZGP等)，根据光参量振荡三波耦合方程，在1710nm和2300nm同时输出时无法实现相位匹配。因此，采用体块单晶的折射率相位匹配技术很难实现1710nm和2300nm同时输出；并且，截至目前为止，尚未有1710nm和2300nm同时输出的报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器。